铁质管道锈蚀物对污染物的吸附特性研究

摘要

作为庞大的管式“反应器”，自来水在输配水管网中的停留时间长达1~3天。由于各种物理、化学和生物反应过程的发生，将对供水水质产生一定的影响。对于以铁质管材为主的系统，随着使用年限的增加，管道腐蚀问题也日趋严重。这些锈蚀物在向水中释放铁离子的同时，还对水中的各种污染组分具有吸附蓄积作用。本研究以西安市输配水管网铁质锈蚀物为研究对象，系统评价了其对管网水中锰、镉、镍等重金属元素，以及苯酚、苯甲酸和邻苯二酚等有机组分的吸附热力学和动力学特征。在此基础上，提出了管道锈蚀物对重金属和有机组分的吸附原理，并结合热力学计算对上述过程进行了验证，得到的主要研究结论如下： （1）管道锈蚀物（ICMs）主要由铁、钙和锌组成，同时还有少量铝、锰、砷、铅和铜；铁主要以针铁矿的形式存在。微观形貌分析结果显示，ICMs在管道内壁呈瘤状，结构较为疏松，表层及内部含有大量微型小孔。这些小孔相互连通成为一体，具有较大的比表面积（BET，108.7 m2/g），为污染物的吸附蓄积提供了良好的环境。 （2）ICMs对重金属元素的吸附过程可分为三个阶段：快速吸附段、缓慢增加段和趋于平衡段。随着初始浓度的增加，重金属元素在特定时刻的吸附速率均出现一定的上升趋势，但其达到吸附平衡的时间则不断增长。进一步研究发现， ICMs对锰以物理吸附为主，对Langmiur和Freundlich吸附等温式的符合度均较高；镉和镍的则以化学吸附为主，符合Langmiur吸附等温式。 （3）随着反应时间的增加，苯酚、苯甲酸和邻苯二酚的反应速率与重金属元素呈现类似的变化规律，以化学吸附为主，均属于二级反应。平衡后，邻苯二酚的去除率最高、苯酚次之、苯甲酸则最低，这可能与不同pH环境下ICMs表面的荷电性质，以及有机组分的络合能力等因素有关。 （4）在明确ICMs主要物质组成、比表面积、主要活性位点类型和密度等数据的基础上，通过Pest参数率定和Visual Minteq计算，确定代表性重金属和有机组分在ICMs表面的吸附途径与平衡常数，并通过相同环境条件下实测值与理论计算值的对比分析，进行模型验证。 上述研究结论的取得证实了 ICMs对管网水中重金属和小分子有机组分具有良好的吸附蓄积性能。由于污染物向ICMs的迁移转化，使得其在管网水中的含量呈现一定的下降趋势。然而，当管网水质环境发生大幅改变，如切换供水水源后，可能引起管壁附着物的突发性大量释放，威胁饮水健康。本研究所提吸附机理和平衡常数将为ICMs吸附稳定性评价、管网运行管理和水质调控工作的开展提供理论支撑。

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